用密立根油滴儀測(cè)量電子電量-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.wd.wd.wd.用密立根油滴儀測(cè)量電子電量摘要：密立根油滴儀可以測(cè)定油滴的電量，并可驗(yàn)證電荷的量子性，即任何帶電體所帶的電量都是 基本電荷的整數(shù)倍.密立根油滴儀的設(shè)計(jì)思想巧妙，其測(cè)量油滴電量的方法筒單，而結(jié)果卻具有不容置疑的說(shuō)服力。密立根在這一實(shí)驗(yàn)工作上花費(fèi)了近10年的心血，從而取得了具有重大意義的結(jié)果，那就是(1)證明了電荷的不連續(xù)性(具有顆粒性)。(2)測(cè)量并得到了元電荷即為電子電荷，其值為e=1.60210-19C。關(guān)鍵詞：油滴儀；電子電量；靜態(tài)平衡測(cè)量法； 噴霧；中圖分類(lèi)號(hào)： +O 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AUsing Millikan oil drop instrument measurin

2、g of electronic chargeAbstract: Millikan oil drop instrument can measure the oil droplets of the electricity, and can validate the charge quantization, namely anybody charged with electricity are integer multiples of the basic charge. Millikan oil drop instrument of the ingenious design, the measure

3、ment of oil droplet charge method and the result is a single cylinder, allow all doubt persuasion. Millikan in this experimental work has spent nearly 10 years of efforts, and achieved significant results, it is proved that the charge (1) discontinuity ( having a particle ). (2) Measurement and get

4、the elementary charge is the charge of the electron, its value is e=1.60 10-19C.Keyword: Oil drop instrument; Electronic charge; Static balance measuring method; Spray;美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根花了七年功夫(19091917) 所做的測(cè)量微小油滴上所帶電荷的工作在近代物理學(xué)開(kāi)展中具有重要意義，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，簡(jiǎn)單方便地證明了所有電荷都是 基本電荷的整數(shù)倍，明確了電荷的不連續(xù)性?，F(xiàn)在公認(rèn)的 基本電荷為e =1.6020.00210-

5、19C.由于實(shí)驗(yàn)中噴出的油滴是非常微小的，難于捕捉、控制和測(cè)量，因此做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)操作，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理，才能得到比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 領(lǐng)會(huì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。2. 掌握密立根油滴儀的使用方法。3. 運(yùn)用密立根油滴儀測(cè)定油滴的電量，并驗(yàn)證電荷的量子性。二、實(shí)驗(yàn)原理圖1 帶電平行板間油滴的平衡qEmgVd用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為的水平放置的平行板之間。由于噴射時(shí)的摩擦，油滴一般帶有電量q。當(dāng)平行板間加有電壓V，產(chǎn)生電場(chǎng)E，油滴受電場(chǎng)力作用。調(diào)整電壓的大小，使油滴所受的電場(chǎng)力與重力相等，油滴將靜止地懸浮在極板中間，見(jiàn)圖1。此時(shí)或 (1)V、d是

6、容易測(cè)量的物理量，如果進(jìn)一步測(cè)量出油滴的質(zhì)量m，就能得到油滴所帶的電量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油滴的電量是某最小恒量的整數(shù)倍，即q=ne，。這樣就證明了電荷的不連續(xù)性，并存在著最小的電荷單位，即電子的電荷值。設(shè)油滴的密度為，油滴的質(zhì)量m可用下式表示：(2)為測(cè)量r，去掉平行板間電壓。油滴受重力而下降，同時(shí)受到空氣的粘滯性對(duì)油滴所產(chǎn)生的阻力。粘滯力與下降速度成正比，也就是服從斯托克斯定律：(3)式中是空氣粘滯系數(shù)，r是油滴半徑，v是油滴下落速度油滴受重力(4)當(dāng)油滴在空氣中下降一段距離時(shí)，粘滯阻力增大，到達(dá)二力平衡，油滴開(kāi)場(chǎng)勻速下降。(5)解出油滴半徑：(6)對(duì)于半徑小到m的油滴，空氣介質(zhì)不能認(rèn)為是均勻連續(xù)

7、的，因而需將空氣的粘滯系數(shù)修正為：式中為一修正系數(shù)，為大氣壓強(qiáng)，于是可得：(7)(8)上式根號(hào)中還包含油滴半徑，但因它是處于修正項(xiàng)中，不須十分準(zhǔn)確，故可將(6)帶入(8)式進(jìn)展計(jì)算?？紤]到油滴勻速下降的速度v等于勻速下降的距離與經(jīng)過(guò)這段距離所需時(shí)間的比值，即v=l / t。得到：(9)將上式代入(1)式可得：(10)上式及公式6就是本實(shí)驗(yàn)的所用的 基本公式。三、實(shí)驗(yàn)儀器油霧室油滴盒防風(fēng)罩照明燈電壓表平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕平衡電壓換向開(kāi)關(guān)升降電壓調(diào)節(jié)鈕升降電壓換向開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)測(cè)量顯微鏡圖2 油滴儀外形密立根油滴儀包括：油滴盒、油滴照明裝置，測(cè)量顯微鏡、供電電源以及電子停表、噴霧器等局部組成。如圖3所示

8、，油滴盒由兩塊經(jīng)過(guò)精磨的平行極板組成，間距cm。上電極板中央有一個(gè)mm的小孔，以供油滴落入。整個(gè)油滴盒裝在有機(jī)玻璃防風(fēng)罩中，以防空氣流動(dòng)對(duì)油滴的影響。防風(fēng)罩上面是油霧室，油滴用噴霧器從噴霧口噴入，并經(jīng)油霧孔落入油滴盒。為了觀察油滴的運(yùn)動(dòng)，附有發(fā)光二極管照明裝置。發(fā)光二極管發(fā)熱量小，因此對(duì)油滴盒中的空氣熱對(duì)流小，油滴就比較穩(wěn)定。2. 顯微鏡圖4 目鏡分劃板圖3 油滴盒側(cè)視圖顯微鏡是用來(lái)觀察和測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的,目鏡中裝有分劃板，共分六格，每格相當(dāng)視場(chǎng)中的0.050cm，六格共0.300cm，分劃板可用來(lái)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的距離，以計(jì)算油滴運(yùn)動(dòng)的速度。3電源共提供三種電壓：15V交流電源供照明裝置用。250

9、0V直流平衡電壓，該電壓的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)，數(shù)值可以從電壓表上讀出來(lái)。平衡電壓由標(biāo)有“平衡電壓的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。開(kāi)關(guān)撥在中間“0位，上下極板被短路，并接零電位。開(kāi)關(guān)撥在“位置，這時(shí)能到達(dá)平衡位置的油滴帶正電荷，反之油滴帶負(fù)電荷。3300V直流升降電壓，該電壓的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可通過(guò)標(biāo)有“升降電壓撥動(dòng)開(kāi)關(guān)疊加在平衡電壓上。由于該電壓只起一個(gè)改變已到達(dá)平衡的油滴在兩塊極板間上下位置的作用，不需要知道它的大小，因此沒(méi)有讀數(shù)。4. 計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)器是一只液晶顯示數(shù)字電子停表，精度為0.01s。四、實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)記錄1.正式測(cè)量須知及步驟：由公式10可知，進(jìn)展本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量的只有兩個(gè)量，一個(gè)是平衡電壓Vn，另

10、一個(gè)是油滴勻速下降一段距離所需要的時(shí)間。測(cè)量平衡電壓必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)，將油滴懸于分劃板上某條橫線附近,以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了。測(cè)量油滴勻速下降一段距離所需的時(shí)間時(shí)，為保證油滴下降時(shí)速度均勻，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。選定測(cè)量的一段距離應(yīng)該在平行極板之間的中央局部，假設(shè)太靠近上極板，小孔附近有氣流，電場(chǎng)也不均勻，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。太靠近下極板，油滴容易喪失，影響重復(fù)測(cè)量。一般取分劃板中央局部cm比較適宜。由于實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)漲落現(xiàn)象顯著，對(duì)于同一顆油滴應(yīng)進(jìn)展6次測(cè)量，而且每次測(cè)量都要重新調(diào)整平衡電壓，并記錄此電壓值。同時(shí)還應(yīng)該分別對(duì)5顆油滴進(jìn)展反復(fù)的測(cè)量。2. 數(shù)據(jù)表格：No.U(vo

11、lt)Tg(sec)No.U(volt)Tg(sec)No.U(volt)Tg(sec)120114.51122324.62120023.4219614.31222524.52219923.4320214.51322528.82320023.4420614.61425328.72420123.4520914.71525428.62523724.3620714.61625628.72623824.3721124.91725528.82723624.2821825.61825528.92823824.3922024.51919923.32923724.31022124.42019823.33023

12、824.3表格1五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)公式(10)及(6)進(jìn)展計(jì)算油滴平均帶電量：油的密度: 空氣粘滯系數(shù): 重力加速度: 油滴勻速下降的距離取: 修正常數(shù): b=6.1710-6 mcm(Hg)大氣壓強(qiáng): p=76.0cmHg平行極板間距: d=5.0010-3 m將以上數(shù)據(jù)代入公式得:由上式可得：油滴序數(shù)帶電荷值q10-19C19.8224.6433.1645.5354.42表格2可以看到，油滴所帶電荷量的取值不是雜亂的，而是大體集中在1.610-19C或其倍數(shù)附近。當(dāng)然此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，但作為一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一定程度上已能夠說(shuō)明微小油滴上所帶電荷量是離散的，即電量具有量子化特征。

13、2. 基本電荷的測(cè)定：正如實(shí)驗(yàn)原理里所說(shuō)，測(cè)量油滴上帶的電荷的目的是找出電荷的最小單位e。為此可以對(duì)不同的油滴，分別測(cè)出其所帶的電荷值q，它們應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，即油滴電荷量的最大公約數(shù)，或油滴帶電量之差的最大公約數(shù)，即為元電荷。對(duì)此，做出表格如下：油滴序數(shù)帶電荷值(10-19C)元電荷倍數(shù)取整倍數(shù)元電荷值10-19C19.826.1461.5524.642.931.5733.161.9821.5845.533.462.51.5854.412.7631.57 表格3由表計(jì)算元電荷： =15(1.53+1.57+1.57+1.57+1.57)10-19=1.57210-19(C)而理論值為： 1.6021.6510-19C，誤差1.9%六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次試驗(yàn)的重難點(diǎn)在于如何找到帶電量適中，大小適當(dāng)?shù)挠偷巫鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象。油滴過(guò)大過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生較大誤差，油滴太大，自由降落太快，測(cè)量時(shí)速度尚未到達(dá)勻速，必然誤差大；油滴太小，又會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)和布朗運(yùn)動(dòng)，使測(cè)量時(shí)漲落太大。最后測(cè)得結(jié)果為1.57210-19(C) 七、答復(fù)以下問(wèn)題重力與電場(chǎng)力不平衡，會(huì)造成下落路線不垂直，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間偏大，誤差大。由于兩